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暴风雪对建筑结构雪荷载取值的影响
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内容提示：暴风雪是一种严重的自然灾害,通过对暴风雪后由于雪荷载取值不合理引起的建筑工程破坏情况的调查和对一些典型工程事故的分析,结合现行的荷载规范,探讨了暴风雪条件下各种建筑结构雪荷载的取值问题,对影响雪荷载准确取值的各种因素进行了分析。
2008年1月,我国南方遭遇了近半个世纪以来罕见的特大冰雪灾害。初步估计,雪灾造成湖南、湖北、贵州、安徽等10省区很多房屋倒塌,直接经济损失超过1516·5亿元[1]。根据调查结果分析,雪荷载取值不合理是造成房屋倒塌的重要原因之一。（参考《建筑中文网》）
1 影响雪荷载确定的因素分析
根据资料和调查结果[2-4],雪荷载对一般的砖混结构和框架结构建筑的安全性影响较小,鲜见由于暴风雪而受到破坏的情况,而对一些轻钢屋盖、钢架、网架、穹顶、拱顶等结构有可能造成较大的破坏。其倒塌的原因与雪荷载取值不合理有关。因此有必要对雪荷载的规律进行深入研究,使其取值尽可能合理。
1·1 屋面形状及建筑物尺寸对雪荷载取值的影响
屋盖上的积雪分布是不均匀的。屋面的坡度将影响雪荷载的分布,一般来讲屋面坡度越小,积雪越多。各国在考虑坡度对雪荷载影响时坡度的上、下限取值是不一样的。比如日本、美国等国家的规范规定,当屋面坡度大于60°时,屋面积雪很小,可不考虑雪荷载。我国荷载规范规定这一角度为50°[5]。当屋面坡度较小时对雪荷载的影响较小可忽略不计,雪荷载的取值和水平屋面相同。这一临界角度各国的规定也不相同,日本为30°,前苏联为25°,美国为20°,我国规范规定为25°[5]。
对于拱形屋面雪荷载的大小和矢跨比(F/L)有关,矢跨比大,积雪量少,雪荷载也小,相反,矢跨比小,雪荷载大。
对于面积较大的屋面积雪在风荷载作用下将发生迁移,雪荷载的不均匀分布可能导致结构失稳。现行的荷载规范[5]很难确定大型屋盖表面的雪压分布。因此,有必要研究屋盖表面积雪在风作用下的漂移过程。在这方面同济大学的周恒毅等[6],采用两相流理论模拟风荷载雪漂作用,对首都国际机场3号航站楼屋面雪荷载分布进行了研究,利用计算流体动力学软件FLUENT,计算了在风作用下积雪发生迁移后屋盖表面的雪压分布,并对雪荷载改变量以及雪压分布的规律进行了分析,为结构设计提供了依据。因此,当进行类似的大面积屋面雪荷载确定时不能简单的按均匀分布来确定,应进行专门的研究。
1·2 积雪密度对雪荷载取值的影响
积雪密度和很多因素有关,首先由于积雪的压密作用,使得新雪与旧雪的密度不同,一般新雪密度在0·4~1·0kN/m3之间,而旧雪密度在0·6~7·0kN/m3之间。降雪时气温不同积雪的密度也不相同。一般来说降雪时气温低,积雪的密度小。奥包兰斯基通过研究得到了积雪密度与气温之间的关系如表1。
从表中可以看出,降雪时温度不同,积雪的密度的差异是很大的。由于温度高时降雪的积雪密度大,所以在我国南方偶尔出现降雪时,由于积雪的密度很大,更容易出现实际雪荷载超出设计雪荷载造成建筑物的屋顶承载力不足而发生倒塌的情况。积雪深度也将影响雪的密度,当积雪深度较深时,积雪密度也较大。积雪密度与积雪深度之间的关系如表2。
1·3 屋面构造及采暖条件对雪荷载取值的影响
屋面构造不同,室内外温差不一样,室内向外传播出去的热量也不相同。在我国北方地区,一般的工业与民用建筑冬季都要采暖抗寒,因而产生较大的室内外温差,热可以随着温度差向外传播,也会使房屋周围形成暖气团,加速降雪的融化,减少了屋面的雪荷载。而有些钢结构棚架只起遮阳和遮雨雪的作用,不采暖,这样的结构屋盖雪荷载就大于采暖的建筑。
1·4 风力、风速和风向对雪荷载取值的影响
一般来讲迎风面积雪较薄,背风面由于风涡等作用积雪较厚。同时在一定风力与风向的作用下,雪会移动,影响了积雪的分布。在一般的建筑中由于屋顶面积不大,这种作用不太明显可以不考虑,但对于大面积的屋顶这种作用将产生较大的影响,是不能忽略的。当风力很大的时候,屋顶上的雪会被吹掉。因此,在确定雪荷载值时,必须考虑风力、风速和风向的影响,使其尽可能符合实际情况。
2 雪荷载值的合理确定
2·1 建设地点的基本雪压在规范中没有明确数值时当地的基本雪压值在荷载规范附录中没有给出时,可以根据当地的气象资料,按基本雪压定义通过统计分析确定。
对雪荷载的调查实测数据处理后,经过统计假设检验,其概率分布服从极值Ⅰ型分布。其分布函数为:
式中,α为分布的尺度参数;u为分布的位置参数,即分布的众值。
(1) 当地有10年或10年以上的年最大雪压资料时可通过资料的统计分析,按上式确定基本雪压。当有大量样本时,分布参数的均值μ和标准差σ的关系如下:
(2) 当地的年最大雪压资料不足10年,可通过与有长期资料或有规定基本雪压的附近地区进行对比分析确定基本雪压。
(3) 当地没有雪压资料时可通过对气象和地形条件的分析,参考荷载规范附录上的等压线用插入法确定基本雪压。
2·2 建设地点的基本雪压在规范中有明确数值时
(1) 对于一般的框架结构和砖混结构房屋,基本雪压值可根据荷载规范附录中的表格和等值线图选用,按均布荷载进行计算,就能满足承载力的要求。可以说一般的框架结构和砖混结构房屋按现行规范的要求雪荷载取值是安全的。
(2) 对于轻钢屋盖、钢架、网架、穹顶、拱顶等结构,目前我国采用的是50年一遇的基本雪荷载设计标准值,基本上能够满足设计需要,但在大灾面前雪荷载标准值偏低。我国南方地区空气湿润,多为湿雪,是重度较大的降雪,更有必要提高雪荷载标准值。在经济允许前提下可提高到100年一遇的水准。
(3) 对高低跨屋面或有局部高差屋面,由于风对雪的漂积作用,较高屋面的雪被吹落在较低屋面上,在低屋面上形成局部较大的漂积荷载。最大可出现三倍于地面积雪荷载的情况。因此在建筑结构设计时要特别注意高低跨屋面或有局部高差屋面的情况。关于低跨屋面的积雪分布系数的选取,前苏联规范规定屋面积雪分布系数取4·0。我国现行规范规定屋面积雪分布系数为2·0。考虑到我国部分地区冰雪灾害频发,低屋面的积雪分布系数有必要调大。
(4) 屋面积雪分布系数是屋面水平投影上的雪荷载Sk与基本雪压S0的比值,实际上也是地面基本雪压换算成屋面雪荷载的换算系数。如果设计人员忽略了积雪分布系数,对于一般的平屋顶建筑由于Sk与S0是相等的,虽然概念不清楚,但计算结果是相同的。如果对于其它形式的屋顶,也不考虑积雪分布系数,就会出现计算错误,甚至有可能由于雪荷载取值过小而发生工程事故。
屋面积雪分布系数可按规范选用。规范中对大部分房屋都列出了积雪均匀分布和不均匀分布两种情况,后一种主要考虑积雪的漂移和堆积后的情况。原则上在计算结构及屋面承重构件时,应分别按两种分布情况计算结构的效应值,按最不利的情况确定构件的截面。根据实践经验可适当进行简化,按下列情况进行设计计算:①在基本雪压S0>(0·3~0·5)kN/m2的地区,计算直接承受雪荷载的屋盖结构(如屋面板、檩条等)时,应考虑雪荷载不均匀的影响,按最不利情况进行计算。②屋架和拱壳应分别按积雪全跨均匀分布情况、不均匀分布情况和半跨均匀分布的情况进行计算。③对于下部承重结构如排架柱、框架柱,由于其它荷载较大,雪荷载不均匀分布的影响较小,可不考虑雪荷载分布不均匀的影响,按积雪全跨均匀分布情况进行计算。④面积特别大的钢结构等轻型屋面,如机场候机楼、体育场馆屋顶等,造型特别等原因,现行荷载规范还不能解决其雪荷载的分布问题。对于类似的情况应做专门的研究。
参考文献
[1] 程建军,刘建军,刘焕芳,等·市政基础设施抵御低温冰冻灾害对策研究[J]·低温建筑技术,2009,(6):6-9·
[2] 王与中·平谷一仓库雪中倒塌原因的浅析[J]·北京建筑工程学院学报,2004,20(4):84-88·
[3] 赵征,郭启勇·雪荷载在门式刚架轻型房屋设计中的作用[J]·工程设计,2007,122(7):197·
[4] 蔡益燕·2007辽宁雪灾对轻型钢结构房屋建筑的启示[J]·建筑钢结构,2007,(4):33-35·
1 影响雪荷载确定的因素分析
根据资料和调查结果[2-4],雪荷载对一般的砖混结构和框架结构建筑的安全性影响较小,鲜见由于暴风雪而受到破坏的情况,而对一些轻钢屋盖、钢架、网架、穹顶、拱顶等结构有可能造成较大的破坏。其倒塌的原因与雪荷载取值不合理有关。因此有必要对雪荷载的规律进行深入研究,使其取值尽可能合理。
1·1 屋面形状及建筑物尺寸对雪荷载取值的影响
屋盖上的积雪分布是不均匀的。屋面的坡度将影响雪荷载的分布,一般来讲屋面坡度越小,积雪越多。各国在考虑坡度对雪荷载影响时坡度的上、下限取值是不一样的。比如日本、美国等国家的规范规定,当屋面坡度大于60°时,屋面积雪很小,可不考虑雪荷载。我国荷载规范规定这一角度为50°[5]。当屋面坡度较小时对雪荷载的影响较小可忽略不计,雪荷载的取值和水平屋面相同。这一临界角度各国的规定也不相同,日本为30°,前苏联为25°,美国为20°,我国规范规定为25°[5]。
对于拱形屋面雪荷载的大小和矢跨比(F/L)有关,矢跨比大,积雪量少,雪荷载也小,相反,矢跨比小,雪荷载大。
对于面积较大的屋面积雪在风荷载作用下将发生迁移,雪荷载的不均匀分布可能导致结构失稳。现行的荷载规范[5]很难确定大型屋盖表面的雪压分布。因此,有必要研究屋盖表面积雪在风作用下的漂移过程。在这方面同济大学的周恒毅等[6],采用两相流理论模拟风荷载雪漂作用,对首都国际机场3号航站楼屋面雪荷载分布进行了研究,利用计算流体动力学软件FLUENT,计算了在风作用下积雪发生迁移后屋盖表面的雪压分布,并对雪荷载改变量以及雪压分布的规律进行了分析,为结构设计提供了依据。因此,当进行类似的大面积屋面雪荷载确定时不能简单的按均匀分布来确定,应进行专门的研究。
1·2 积雪密度对雪荷载取值的影响
积雪密度和很多因素有关,首先由于积雪的压密作用,使得新雪与旧雪的密度不同,一般新雪密度在0·4~1·0kN/m3之间,而旧雪密度在0·6~7·0kN/m3之间。降雪时气温不同积雪的密度也不相同。一般来说降雪时气温低,积雪的密度小。奥包兰斯基通过研究得到了积雪密度与气温之间的关系如表1。
从表中可以看出,降雪时温度不同,积雪的密度的差异是很大的。由于温度高时降雪的积雪密度大,所以在我国南方偶尔出现降雪时,由于积雪的密度很大,更容易出现实际雪荷载超出设计雪荷载造成建筑物的屋顶承载力不足而发生倒塌的情况。积雪深度也将影响雪的密度,当积雪深度较深时,积雪密度也较大。积雪密度与积雪深度之间的关系如表2。
1·3 屋面构造及采暖条件对雪荷载取值的影响
屋面构造不同,室内外温差不一样,室内向外传播出去的热量也不相同。在我国北方地区,一般的工业与民用建筑冬季都要采暖抗寒,因而产生较大的室内外温差,热可以随着温度差向外传播,也会使房屋周围形成暖气团,加速降雪的融化,减少了屋面的雪荷载。而有些钢结构棚架只起遮阳和遮雨雪的作用,不采暖,这样的结构屋盖雪荷载就大于采暖的建筑。
1·4 风力、风速和风向对雪荷载取值的影响
一般来讲迎风面积雪较薄,背风面由于风涡等作用积雪较厚。同时在一定风力与风向的作用下,雪会移动,影响了积雪的分布。在一般的建筑中由于屋顶面积不大,这种作用不太明显可以不考虑,但对于大面积的屋顶这种作用将产生较大的影响,是不能忽略的。当风力很大的时候,屋顶上的雪会被吹掉。因此,在确定雪荷载值时,必须考虑风力、风速和风向的影响,使其尽可能符合实际情况。
2 雪荷载值的合理确定
2·1 建设地点的基本雪压在规范中没有明确数值时当地的基本雪压值在荷载规范附录中没有给出时,可以根据当地的气象资料,按基本雪压定义通过统计分析确定。
对雪荷载的调查实测数据处理后,经过统计假设检验,其概率分布服从极值Ⅰ型分布。其分布函数为:
式中,α为分布的尺度参数;u为分布的位置参数,即分布的众值。
(1) 当地有10年或10年以上的年最大雪压资料时可通过资料的统计分析,按上式确定基本雪压。当有大量样本时,分布参数的均值μ和标准差σ的关系如下:
(2) 当地的年最大雪压资料不足10年,可通过与有长期资料或有规定基本雪压的附近地区进行对比分析确定基本雪压。
(3) 当地没有雪压资料时可通过对气象和地形条件的分析,参考荷载规范附录上的等压线用插入法确定基本雪压。
2·2 建设地点的基本雪压在规范中有明确数值时
(1) 对于一般的框架结构和砖混结构房屋,基本雪压值可根据荷载规范附录中的表格和等值线图选用,按均布荷载进行计算,就能满足承载力的要求。可以说一般的框架结构和砖混结构房屋按现行规范的要求雪荷载取值是安全的。
(2) 对于轻钢屋盖、钢架、网架、穹顶、拱顶等结构,目前我国采用的是50年一遇的基本雪荷载设计标准值,基本上能够满足设计需要,但在大灾面前雪荷载标准值偏低。我国南方地区空气湿润,多为湿雪,是重度较大的降雪,更有必要提高雪荷载标准值。在经济允许前提下可提高到100年一遇的水准。
(3) 对高低跨屋面或有局部高差屋面,由于风对雪的漂积作用,较高屋面的雪被吹落在较低屋面上,在低屋面上形成局部较大的漂积荷载。最大可出现三倍于地面积雪荷载的情况。因此在建筑结构设计时要特别注意高低跨屋面或有局部高差屋面的情况。关于低跨屋面的积雪分布系数的选取,前苏联规范规定屋面积雪分布系数取4·0。我国现行规范规定屋面积雪分布系数为2·0。考虑到我国部分地区冰雪灾害频发,低屋面的积雪分布系数有必要调大。
(4) 屋面积雪分布系数是屋面水平投影上的雪荷载Sk与基本雪压S0的比值,实际上也是地面基本雪压换算成屋面雪荷载的换算系数。如果设计人员忽略了积雪分布系数,对于一般的平屋顶建筑由于Sk与S0是相等的,虽然概念不清楚,但计算结果是相同的。如果对于其它形式的屋顶,也不考虑积雪分布系数,就会出现计算错误,甚至有可能由于雪荷载取值过小而发生工程事故。
屋面积雪分布系数可按规范选用。规范中对大部分房屋都列出了积雪均匀分布和不均匀分布两种情况,后一种主要考虑积雪的漂移和堆积后的情况。原则上在计算结构及屋面承重构件时,应分别按两种分布情况计算结构的效应值,按最不利的情况确定构件的截面。根据实践经验可适当进行简化,按下列情况进行设计计算:①在基本雪压S0>(0·3~0·5)kN/m2的地区,计算直接承受雪荷载的屋盖结构(如屋面板、檩条等)时,应考虑雪荷载不均匀的影响,按最不利情况进行计算。②屋架和拱壳应分别按积雪全跨均匀分布情况、不均匀分布情况和半跨均匀分布的情况进行计算。③对于下部承重结构如排架柱、框架柱,由于其它荷载较大,雪荷载不均匀分布的影响较小,可不考虑雪荷载分布不均匀的影响,按积雪全跨均匀分布情况进行计算。④面积特别大的钢结构等轻型屋面,如机场候机楼、体育场馆屋顶等,造型特别等原因,现行荷载规范还不能解决其雪荷载的分布问题。对于类似的情况应做专门的研究。
参考文献
[1] 程建军,刘建军,刘焕芳,等·市政基础设施抵御低温冰冻灾害对策研究[J]·低温建筑技术,2009,(6):6-9·
[2] 王与中·平谷一仓库雪中倒塌原因的浅析[J]·北京建筑工程学院学报,2004,20(4):84-88·
[3] 赵征,郭启勇·雪荷载在门式刚架轻型房屋设计中的作用[J]·工程设计,2007,122(7):197·
[4] 蔡益燕·2007辽宁雪灾对轻型钢结构房屋建筑的启示[J]·建筑钢结构,2007,(4):33-35·
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201101/14667.htm
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